ΛίθιοΟι μεταλλικές άνοδοι διαθέτουν εξαιρετικά υψηλή θεωρητική ειδική χωρητικότητα (3860 mA·bg) και το χαμηλότερο ηλεκτροχημικό δυναμικό (-3.040 V (έναντι SHE)), γεγονός που τις καθιστά το ηλεκτρόδιο του "ιερού δισκοπότηρου" μεταξύ πολλών υλικών ηλεκτροδίων. Οι μπαταρίες λιθίου μετάλλου περιλαμβάνουν μπαταρίες λιθίου-θείου και λιθίου-οξυγόνου. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν ενεργειακή πυκνότητα περίπου 2600 W·h/kg, ενώ οι μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου έχουν ενεργειακή πυκνότητα περίπου 3500 W·h/kg, περίπου 7 και 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών μπαταριών ιόντων λιθίου, αντίστοιχα. Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου θεωρούνται ένα από τα πιο υποσχόμενα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και κορυφαίοι υποψήφιοι για συστήματα μπαταριών επόμενης γενιάς, προσελκύοντας μεγάλη προσοχή. Ωστόσο, λόγω του προβλήματος του δενδρίτη λιθίου, οι πρώιμες μπαταρίες μετάλλου λιθίου μπορούσαν να εφαρμοστούν μόνο σε ορισμένα εξειδικευμένα πεδία και η εμπορευματοποίησή τους έχει καθυστερήσει.
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μετάλλου λιθίου εφευρέθηκαν ήδη από τη δεκαετία του 1970 και χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σε ρολόγια, αριθμομηχανές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.
Οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικές συσκευές και φορητές ιατρικές συσκευές. Ωστόσο, η εμπορευματοποίησή τους έχει παρεμποδιστεί από ορισμένα ελαττώματα στο μέταλλο λιθίου. Ως μέλος της Ομάδας 1 του περιοδικού πίνακα, τα άτομα λιθίου έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό τους περίβλημα, καθιστώντας τα εξαιρετικά χημικά αντιδραστικά καθώς χάνουν εύκολα αυτό το ηλεκτρόνιο. Όταν έρχεται σε επαφή με έναν οργανικό ηλεκτρολύτη, το μέταλλο λιθίου σχηματίζει ένα φιλμ που ονομάζεται διεπαφή στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) στην επιφάνειά του. Η κύρια λειτουργία αυτού του φιλμ είναι να απομονώνει το μέταλλο λιθίου από τον ηλεκτρολύτη, αποτρέποντας την περαιτέρω διάβρωση του λιθίου. Ωστόσο, λόγω της σημαντικής αλλαγής όγκου του μετάλλου λιθίου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, το φιλμ SEI συχνά σπάει. Η εκτεθειμένη επιφάνεια φρέσκου μετάλλου λιθίου αντιδρά ξανά με τον ηλεκτρολύτη για να σχηματίσει ένα νέο φιλμ SEI. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο προάγει την ανάπτυξη δενδριτών λιθίου κατά μήκος των ρωγμών, αλλά μπορεί επίσης να διεισδύσει στον διαχωριστή μέσα στην μπαταρία, προκαλώντας βραχυκύκλωμα. Όταν συμβεί βραχυκύκλωμα, δημιουργείται μεγάλη ποσότητα θερμότητας στο εσωτερικό της μπαταρίας, η οποία σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσει σε καύση ή έκρηξη, επηρεάζοντας σοβαρά την απόδοση ασφάλειας και την εμπορευσιμότητα των μπαταριών μετάλλου λιθίου. Επιπλέον, καθώς ο αριθμός των δενδριτών του λιθίου αυξάνεται, παρέχουν περισσότερες ευκαιρίες για το αρνητικό ηλεκτρόδιο να έρθει σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη, επιταχύνοντας έτσι τον ρυθμό των πλευρικών αντιδράσεων. Αυτές οι μη αναστρέψιμες διεργασίες καταναλώνουν υλικά ηλεκτροδίων και ηλεκτρολύτες, μειώνοντας την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας και την κουλομβική απόδοση. Μετά από παρατεταμένη χρήση, πολλοί δενδρίτες λιθίου εγκλείονται στο νεοσχηματισμένο φιλμ SEI, ανίκανοι να συμμετάσχουν σε κανονικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Ταυτόχρονα, οι δενδρίτες λιθίου κοντά στο υπόστρωμα αποσυντίθενται γρήγορα, προκαλώντας «νεκρό» λίθιο, που σημαίνει ότι αυτό το τμήμα λιθίου καθίσταται ηλεκτροχημικά ανενεργό, εξασθενώντας σημαντικά τη συνολική απόδοση της μπαταρίας. Τα τελευταία 40 χρόνια, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην έρευνα και την προσομοίωση μηχανισμών σχηματισμού δενδρίτη λιθίου.
Μία από τις πιο κοινές στρατηγικές για την καταστολή της ανάπτυξης δενδρίτη είναι η ενίσχυση της σταθερότητας και της συνοχής του στρώματος διεπαφής στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) στην επιφάνεια του μετάλλου λιθίου, προσαρμόζοντας τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη και προσθέτοντας συγκεκριμένες ουσίες. Ωστόσο, δεδομένου ότι το μέταλλο λιθίου είναι θερμοδυναμικά ασταθές σε οργανικά πρόσθετα, ο σχηματισμός ενός αποτελεσματικού στρώματος παθητικοποίησης στην επιφάνειά του σε περιβάλλον υγρού ηλεκτρολύτη είναι αρκετά δύσκολο. Εκτός από τη βελτιστοποίηση του στρώματος SEI, η εισαγωγή πολυμερών ή στερεών στρωμάτων φραγμού με υψηλή μηχανική αντοχή μπορεί επίσης να είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για την πρόληψη της διείσδυσης δενδρίτη στον διαχωριστή. Αυτές οι μέθοδοι στοχεύουν στην πρόληψη της βλάβης του δενδρίτη του λιθίου στον διαχωριστή βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες του στρώματος SEI ή του ίδιου του διαχωριστή, αλλά δεν εξαλείφουν ουσιαστικά το πρόβλημα του σχηματισμού δενδρίτη. Ενώ η πλήρης υπερνίκηση αυτής της πρόκλησης απέχει ακόμη λίγο καιρό και τα προϊόντα μπαταριών που βασίζονται σε ανόδους λιθίου-δεν είναι ακόμη ευρέως διαθέσιμα στην αγορά, οι ερευνητές έχουν προτείνει θεωρητικά διάφορα εννοιολογικά σχέδια μπαταριών μετάλλου λιθίου, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα για πρακτικές εφαρμογές. Μεταξύ αυτών, οι μπαταρίες λιθίου-θείου που χρησιμοποιούν θείο ως υλικό καθόδου και οι μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου που χρησιμοποιούν οξυγόνο ως ενεργό υλικό καθόδου έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των μοναδικών πλεονεκτημάτων τους και θεωρούνται δύο πολλά υποσχόμενα εμπορικά συστήματα όλα-. Οι μπαταρίες λιθίου{10}}θείου διαθέτουν εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (περίπου 2600 W·kg) και αναγνωρίζονται ευρέως ως υποσχόμενοι υποψήφιοι για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών επόμενης{12}}γενιάς. Το πιο σημαντικό είναι ότι το στοιχειακό θείο είναι άφθονο στη φύση και είναι φιλικό προς το περιβάλλον, υπογραμμίζοντας περαιτέρω τα πλεονεκτήματα των μπαταριών{14}}λιθίου. Επομένως, οι μπαταρίες λιθίου{16}}θείου έχουν λάβει παγκόσμια προσοχή τα τελευταία χρόνια.
Τα ενδιάμεσα πολυσουλφιδίου που παράγονται κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση των μπαταριών λιθίου-θείου διαλύονται στον ηλεκτρολύτη και μεταφέρονται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Ως εκ τούτου, η καταστολή των δενδριτών λιθίου γίνεται πιο περίπλοκη παρουσία ενδιάμεσων πολυσουλφιδίου, ειδικά όταν το φορτίο της καθόδου θείου είναι υψηλό. Τα πολυσουλφίδια μπορούν να διεισδύσουν στο φιλμ SEI και να διαβρώσουν το φρέσκο μέταλλο λιθίου κάτω από το επιφανειακό στρώμα, οδηγώντας σε απώλεια χωρητικότητας. Επομένως, η αποτροπή της μεταφοράς πολυσουλφιδίου είναι απαραίτητη όχι μόνο για τη βελτίωση της χωρητικότητας της καθόδου κατά τη λειτουργία της μπαταρίας λιθίου-θείου, αλλά και για τη σταθερότητα του φιλμ SEI και τη λήψη ενός αρνητικού ηλεκτροδίου χωρίς δενδρίτη-. Μέσα από συνεχείς προσπάθειες, έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι, όπως θετική περιοριστική περιοχή και προσρόφηση, τροποποίηση ηλεκτρολυτών και σχεδιασμός διαχωριστή. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι φαίνεται να επικεντρώνονται περισσότερο στην καταστολή της σαΐτας πολυσουλφιδίου και στη βελτίωση του ρυθμού χρήσης της καθόδου του θείου, χωρίς να καταστέλλουν άμεσα την ανάπτυξη δενδρίτη στην άνοδο του μετάλλου λιθίου. Η απόδοση των μπαταριών λιθίου-θείου εξαρτάται από την προστασία της ανόδου μετάλλου λιθίου. Η συνεργική επίδραση διαφόρων μεθόδων καταστολής της ανάπτυξης δενδρίτη μπορεί να επιταχύνει την πρακτική εφαρμογή των μπαταριών λιθίου{11}}θείου.
Οι μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου είναι ένας τύπος μπαταρίας που χρησιμοποιεί οξυγόνο από τον αέρα ως θετικό ηλεκτρόδιο. μερικές φορές ονομάζονται μπαταρίες λιθίου-αέρα. Η θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου-οξυγόνου είναι τόσο υψηλή όσο 3500 Wh/kg, πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των εμπορικών μπαταριών ιόντων λιθίου-. Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου έχουν γίνει μια επαναστατική πρόοδος στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας, προσελκύοντας την παγκόσμια προσοχή και θεωρούνται ισχυροί ανταγωνιστές στα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας επόμενης-γενιάς.
Παρόμοια με τα πολυσουλφιδικά ενδιάμεσα, η διασταυρούμενη-σύνδεση οξυγόνου από το θετικό ηλεκτρόδιο με το αρνητικό ηλεκτρόδιο μετάλλου λιθίου στις μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου μπορεί να οδηγήσει σε σταδιακή υποβάθμιση της επιφάνειας του μετάλλου λιθίου, με αποτέλεσμα την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη και το σχηματισμό LiOH και LiCO3 κατά τη φόρτιση. Ως εκ τούτου, έχουν αναπτυχθεί διάφορες στρατηγικές για την καταστολή της διασταυρούμενης-σύνδεσης οξυγόνου. Εκτός από το πρόβλημα των θετικών ηλεκτροδίων, η εξάντληση λιθίου που προκαλείται από την ανάπτυξη δενδρίτη και τη βλάβη στο φιλμ παθητικοποίησης εμποδίζουν σοβαρά τη χρήση μετάλλου λιθίου σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου. Οι προαναφερθείσες στρατηγικές για την καταστολή της ανάπτυξης δενδρίτη λιθίου ισχύουν επίσης για τις μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου. Μέσω πρόσθετων ηλεκτρολυτών, τροποποίησης διαχωριστή και σχεδίασης αρνητικών ηλεκτροδίων, η απόδοση των μπαταριών λιθίου μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.